Buracos negros são objetos astronômicos enormes, maciços, estranhos e incrivelmente poderosos. Os cientistas sabem que buracos negros supermaciços residem no centro da maioria das galáxias.
Os cientistas também entendem como certas estrelas formam buracos negros de massa estelar comparativamente menores quando chegam ao fim de sua vida. Compreender como buracos negros de massa estelar menores podem se tornar buracos negros supermaciços ajudaria os astrônomos a aprender sobre como o Universo cresce e evolui.
Mas há uma questão em aberto na pesquisa sobre buracos negros: E os buracos negros com massas intermediárias? Eles são muito mais difíceis de encontrar do que seus “primos” estelares e supermaciços, com tamanhos que variam de algumas centenas a algumas centenas de milhares de vezes a massa do Sol.
Somos uma equipe de astrônomos que estão procurando por esses chamados de buracos negros intermediários. Em um novo artigo, dois de nós (Krystal e Karan) nos unimos a um grupo de cientistas, incluindo a pesquisadora de pós-doutorado Anjali Yelikar, para observar ondulações no espaço-tempo e identificar alguns destes elusivos buracos negros se fundindo.
O jogo das ondas gravitacionais
Para ter uma ideia de como os cientistas detectam buracos negros com massa estelar, imagine que você está em um jogo de beisebol, sentado diretamente atrás de uma grande coluna de concreto e não consegue ver o campo. Pior ainda, a torcida é barulhenta, então é quase impossível ver ou ouvir o jogo.
Mas você é um cientista, então usa um microfone de alta qualidade e seu computador e escreve um algoritmo que pode pegar dados de áudio e separar o barulho da multidão do “baque” de um taco batendo na bola.
Você começa a gravar e, com prática suficiente e atualizações de seu hardware e software, pode começar a acompanhar o jogo, percebendo quando uma bola é rebatida, em que direção ela vai, quando ela atinge uma luva, onde os pés dos corredores batem no chão e muito mais.
É certo que essa é uma maneira desafiadora de assistir a um jogo de beisebol. Mas, ao contrário do beisebol, quando observamos o Universo às vezes a maneira desafiadora é tudo o que temos.
Esse princípio de gravar som e usar algoritmos de computador para isolar certas ondas sonoras para determinar o que são e de onde vêm é semelhante à forma como astrônomos como nós estudam as ondas gravitacionais. Ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo que nos permitem observar objetos como buracos negros.
Agora imagine implementar um algoritmo de som diferente, testá-lo ao longo de várias entradas do jogo de beisebol e encontrar uma tacada específica que nenhuma combinação legal de tacos e bolas poderia ter produzido. Imagine que os dados sugerissem que a bola era maior e mais pesada do que uma bola de beisebol legal poderia ser. Se nosso artigo fosse sobre um jogo de beisebol em vez de ondas gravitacionais, isso é o que teríamos descoberto.
Ouvindo ondas gravitacionais
Embora o equipamento de gravação de beisebol tenha sido projetado especificamente para ouvir os sons de um jogo de beisebol, cientistas usam um observatório especializado chamado Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO, na sigla em inglês) para observar o “som” da fusão de dois buracos negros Universo afora.
Os cientistas procuram as ondas gravitacionais que podemos medir com o LIGO, que tem um dos lasers e sistemas ópticos mais avançados já criados.
Em cada evento, dois buracos negros “pais” se fundem em um único buraco negro mais maciço. Usando os dados do LIGO, os cientistas podem descobrir onde e a que distância a fusão aconteceu, qual a massa dos buracos negros “pais” e do buraco negro resultante, em que direção no céu a fusão aconteceu e outros detalhes importantes.
A maioria dos buracos negros originais em eventos de fusão se formam a partir de estrelas que chegaram ao fim de suas vidas – esses são buracos negros de massa estelar.
A lacuna nas massas de buracos negros
Nem toda estrela moribunda gera um buraco negro de massa estelar. As que o fazem geralmente têm entre 20 e 100 vezes a massa do Sol. Mas, devido à complexa física nuclear, estrelas realmente maciças explodem de maneiras diferentes e não deixam nenhum resquício para trás, buraco negro ou outro objetos.
Essa física cria o que chamamos de “lacuna de massa” nos buracos negros. Um buraco negro menor provavelmente se formou a partir de uma estrela moribunda. Mas sabemos que um buraco negro mais maciço do que cerca de 60 vezes a massa do Sol, embora não seja um buraco negro supermaciço, ainda é grande demais para ter se formado diretamente a partir de uma estrela moribunda.
O limite exato para a lacuna de massa ainda é um pouco incerto, e muitos astrofísicos estão trabalhando em medições mais precisas. No entanto, estamos confiantes de que as lacunas de massa existem e que estamos próximos do limite.
Chamamos os buracos negros nessa lacuna de buracos negros de massa intermediária leves (IMBHs leves) porque são os buracos negros menos maciços que esperamos que existam a partir de fontes diferentes de estrelas moribundas. Eles não são mais considerados buracos negros de massa estelar.
Chamá-los de “intermediários” também não captura bem o motivo pelo qual eles são especiais. Eles são especiais porque são muito mais difíceis de encontrar, os astrônomos ainda não têm certeza de quais eventos astronômicos podem criá-los e porque eles preenchem uma lacuna no conhecimento sobre como o Universo cresce e evolui.
Evidências de IMBHs leves
Em nossa pesquisa, analisamos 11 eventos candidatos a serem uma fusão de buracos negros da terceira rodada de observações do LIGO. Esses candidatos eram sinais de ondas gravitacionais que pareciam promissores, mas ainda precisavam de mais análises para serem confirmados.
Os dados sugeriram que, para os 11 que analisamos, o buraco negro final pós-fusão pode ter ficados na faixa dos IMBHs leves. Encontramos cinco buracos negros pós-fusão que nossa análise considerou com 90% de confiança como IMBHs leves.
Mais importante, descobrimos que um dos eventos tinha um buraco negro “pai” que estava na faixa da lacuna de massa, e dois tinham buracos negros pais acima da faixa da lacuna de massa. Como sabemos que esses buracos negros não podem resultar diretamente do colapso de estrelas, essa descoberta sugere que o Universo tem alguma outra maneira de criar buracos negros tão maciços.
Um buraco negro “pai” tão maciço pode já ser o produto de dois outros buracos negros que se fundiram no passado, portanto, observar mais IMBHs pode nos ajudar a entender com que frequência os buracos negros são capazes de “encontrar” uns aos outros e se fundir no Universo.
O LIGO está na fase final de sua quarta série de observações. Como este trabalho utilizou dados da terceira rodada de observações, estamos entusiasmados em aplicar nossa análise a este novo conjunto de dados. Esperamos continuar a buscar IMBHs leves e, com esses novos dados, melhorar nossa compreensão de como “ouvir” com mais confiança esses sinais de buracos negros mais maciços sobre todo o ruído.
Esperamos que este trabalho não apenas fortaleça a hipótese dos IMBHs leves em geral, mas também ajude a esclarecer como eles são formados.
